11.3. Нейтралізація вихлопів двигунів внутрішнього згорання

Поліпшення екологічних характеристик автомобілів можливе за рахунок комплексу заходів щодо вдосконалення їх конструкцій і режимів експлуатації. До них відносяться підвищення економічності роботи двигунів, заміна їх бензинових версій на дизельні, використання альтернативних видів пального (стислий або зріджений газ, етанол, метанол, водень і ін.), використання нейтралізаторів відпрацьованих газів, оптимізація режиму роботи двигунів і технічного обслуговування автомобілів.

Значне зниження токсичності ДВЗ досягається при використанні нейтралізаторів відпрацьованих газів (ВГ). Відомі рідинні, каталітичні, термічні і комбіновані нейтралізатори. Найбільш ефективними з них є каталітичні конструкції. Оснащення ними автомобілів почалося в 1975 р. в США і в 1986 р. − в Європі. З тих пір забруднення атмосфери вихлопами різко знизилося − відповідно на 98,96 і 90% по вуглеводнях, СО і NO_х.

Нейтралізатор − це додатковий пристрій, який вводиться у випускну систему двигуна для зниження токсичності ВГ. Відомі рідинні, каталітичні, термічні і комбіновані нейтралізатори.

Принцип дії рідинних нейтралізаторів заснований на розчиненні або хімічній взаємодії токсичних компонентів ВГ при пропусканні їх через рідину певного складу: вода, водний розчин сульфіту натрію, водний розчин двовуглекислої соди.

На рис. 11.2 представлена схема рідинного нейтралізатора, який викорстовують з двотактним дизельним двигуном. Відпрацьовані гази надходять в нейтралізатор по трубі 1 і через колектор 2 потрапляють в бак 3, де вступають в реакцію з робочою рідиною. Очищені гази проходять через фільтр 4, сепаратор 5 і викидаються в атмосферу. В міру випаровування рідину доливають в робочий бак з додаткового бака 6.

Рис. 11.2. Схема рідинного нейтралізатора

Пропускання відпрацьованих газів дизелів через воду призводить до зменшення запаху, альдегіди поглинаються з ефективністю 50%, а ефективність очищення від сажі досягає 60...80%. При цьому дещо зменшується вміст бенз(а)пірену у відпрацьованих газах дизелів. Температура газів після рідинного очищення складає 40...80°С, приблизно до цієї ж температури нагрівається і робоча рідина. При зниженні температури процес очищення йде інтенсивніше.

Рідинні нейтралізатори не вимагають часу для виходу на робочий режим після пуску холодного двигуна. Недоліки рідинних нейтралізаторів: велика маса і габарити; необхідність частої зміни робочого розчину; неефективність по відношенню до СО; мала ефективність (0,3) по відношенню до NO_x інтенсивне випаровування рідини. Проте використання рідинних нейтралізаторів в комбінованих системах очищення може бути раціональним, особливо для установок, відпрацьовані гази яких повинні мати низьку температуру під час викиду в атмосферу.

При розрахунку рідинного нейтралізатора визначають його основні розміри і необхідну кількість розчину для роботи протягом певного часу. Середні значення концентрацій шкідливих компонентів відпрацьованих газів до і після рідинного нейтралізатора приведені в табл. 11.3.

Таблиця 11.3

Ступінь очистки шкідливих компонентів відпрацьованих газів

Найбільш ефективним і перспективним засобом зменшення шкідливості вихлопу автомобілів є каталітична нейтралізація. Допалювання незгорілих компонентів вихлопів здійснюється на каталізаторах. Каталітичні реактори встановлюються у вихлопній системі і, залежно від конструкції, використовується для видалення не тільки СО і С_nН_m, але і NО_х. Сучасний допалювач забезпечує очищення повітря від оксиду вуглецю на 98%. У допалювачі повинна підтримуватися температура 200°С. Це досягається за рахунок теплоти, що виділяється при окисленні допалюваної домішки (при окисленні СО в СО₂ відбувається виділення теплоти).

До каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів ставляться багато вимог, що зумовлено значною об’ємною швидкістю газів, високою їх температурою, а також зміною хімічного складу газів у процесі роботи автомобіля, який включає холосту роботу двигуна, середній хід, повну швидкість, прискорення та сповільнення. Такі каталізатори повинні володіти універсальністю дії (поліфункціональністю), бути стійкими до дії каталітичних отрут і працювати в широкому інтервалі температур, починаючи з порівняно низьких (100…150°С) до вищих (650°С і вище), при високих об’ємних швидкостях відхідних газів (до 1∙10⁵ дм³/год).

Каталітична нейтралізація відпрацьованих газів ДВЗ на поверхні твердого каталізатора відбувається за рахунок хімічних перетворень (реакції окислення або відновлення), в результаті яких утворюються нешкідливі або менш шкідливі для навколишнього середовища і здоров’я людини сполуки.

Для очищення відпрацьованих газів ДВЗ найширше використовують каталізатори на основі благородних металів (платина, паладій, рутеній, родій і ін.). Ці каталізатори характеризуються хорошою селективністю в реакціях нейтралізації токсичних компонентів, низькими температурами початку ефективної роботи, достатньою температуростійкістю, довговічністю і здатністю стійко працювати при високих швидкостях газового потоку. Основний недолік каталізаторів цього типу − їх висока вартість. Рутеній, родій і іридій широко використовують як добавки до платинових і паладієвих каталізаторів, здатних працювати в широкому діапазоні зміни складу робочої суміші двигуна.

На сьогодні розроблено конструкції каталітичних допалюючих елементів, в яких каталізатором є металева дротина, що покрита сумішшю оксидів алюмінію та берилію з додаванням 1% платини або паладію (нанесених на пористі носії з малим гідравлічним опором). Було доведено, що при виготовленні низьковідсоткових (дешевих) паладійових та платинових каталізаторів допалювання вихлопних газів, хімічна природа носія і структура його пор мають визначний вплив на активність каталізатора. Оптимальним носієм для дешевих каталізаторів є γ-А1₂О₃.

Другим поширеним каталізатором є потрійний оксидний алюмінієво-мідно-хромовий каталізатор, який за своєю активністю поступається тільки платині та паладію. Такі нейтралізатори встановлюють на вихлопних трубах двигуна. Основними вузлами нейтралізаторів є: вхідний патрубок; ежектор; каталізатор; внутрішня рамка реактора; зовнішня рамка реактора.

Ежектор призначений для підсмоктування повітря, а також для приєднання реактора до вихлопної труби.

В корпусі ежектора відпрацьовані гази захоплюють повітря, примушуючи його рухатись із атмосфери в нейтралізатор. Додатково повітря потрапляє через фільтр, який захищає нейтралізатор від великих твердих частинок. Реактор призначений для розміщення каталізатора і складається із зовнішньої та внутрішньої решітки, дна і засипної горловини. Решітки виготовляють з перфорованого сталевого листа, до якого приєднана сітка (у формі циліндрів, вкладених один в одну). Між решітками утворюється кільцевий зазор, в який засипають каталізатор. Решітки з’єднують з дном реактора.

Суміш газів з повітрям із ежектора потрапляє у внутрішню решітку реактора, де фільтрується через шар каталізатора, який розміщений між внутрішньою та зовнішньою решітками. Каталізатор нагрівається вихлопними газами і в ньому починається контактне окислення цих газів. Хімічні процеси, які протікають на поверхні каталізатора, можна зобразити рівняннями:

2СО+О₂→2СО₂

С_nН_m+О₂→СО₂+H₂О

СН₂O+О₂→СО₂+Н₂О

Для нейтралізації у відпрацьованих газах NO_x, СО і С_nН_m ефективним є застосування двоступінчатого каталітичного нейтралізатора, в якому для окислення СО і С_nН_m використовують такі каталізатори, як платина і паладій, а для зменшення вмісту оксидів азоту як каталізатор використовується родій. Для відновлення оксиду азоту застосовують каталізатори на основі перехідних металів, зокрема міді, хрому, кобальту, нікелю і їх сплавів. Ці каталізатори менш довговічні, аніж платина Pt і паладій Pd; їх ефективність помітно нижче при високих об’ємних швидкостях хімічних реакцій; ефективна нейтралізація продуктів неповного згорання досягається на таких каталізаторах при вищих температурах, ніж на платинових. Тому, не дивлячись на високу вартість, для каталітичної нейтралізації відпрацьованих газів частіше використовують каталізатори на основі благородних металів.

Двоступінчатий каталітичний нейтралізатор складається з послідовно сполучених відновного 1 і окислювального 2 каталізаторів. Відпрацьовані гази через патрубок поступають до відновного каталізатора (рис. 11.3).

Рис. 11.3. Схема двоступінчатого каталітичного нейтралізатора

На цьому каталізаторі нейтралізація оксидів азоту відбувається за реакцією (для ДВЗ з іскровим запаленням NO_x на 99% складається з NO):

NO+CO→0,5N₂+CO₂

NO+H₂→0,5N₂+H₂O.

Після відновного каталізатора до відпрацьованих газів для створення окислювального середовища підводиться через патрубок вторинне повітря. На окислювальному каталізаторі відбувається нейтралізація продуктів неповного згорання СО і С_nН_m. Основними процесами є окислення оксидів вуглецю і вуглеводнів:

СО+0,5O₂→CO₂

C_nH_m+(n+0,25m)O₂→nCO₂+0,5mH₂O.

Результати випробувань автомобіля з двоступінчатим каталітичним нейтралізатором (на 1-му ступені − міднонікелевий сплав, на 2-му − платина) приведені в табл. 11.4.

Таблиця 11.4

Результати випробувань автомобіля з каталітичним нейтралізатором

Застосовують в основному окислювальні каталітичні нейтралізатори. Ефективність роботи нейтралізатора, його масові і габаритні показники, створюваний ним протитиск випуску ВГ залежать в основному від характеру протікання газодинамічних і масообмінних процесів.

Однією із основних задач при проектуванні нейтралізатора є визначення довжини каталітичного шару, через який проходять гази в процесі нейтралізації. У загальному випадку довжина шару, необхідна для досягнення заданого ступеня очищення, залежить від швидкості кінетичних перетворень і швидкості потоку. Проте, внаслідок великої швидкості реакції, що досягається на платинових каталізаторах в області малих концентрацій оксиду вуглецю, основним чинником, що визначає загальну швидкість її окислення, стає дифузія. Практично це означає, що розрахунок каталітичних нейтралізаторів для знешкодження продуктів неповного згорання ВГ можна без великої погрішності виконувати, враховуючи тільки процеси масопередачі в дифузійній області.

Розрахунок профілю концентрацій по довжині шару гранульованого каталізатора проводиться за формулою:

,

де c_x − поточна концентрація компоненту по координаті x;

c₀ − початкова концентрація компоненту на вході в реактор;

а=6(1-ε)/d_к − питома поверхня насипного каталізатора;

ε − пористість шару каталізатора;

d_к − діаметр окремої гранули насипного шару каталізатора;

Sc=ν/D − число Шмідта;

ν − коефіцієнт кінематичної в’язкості;

D − коефіцієнт дифузії;

Re=w∙d/v − число Рейнольдса;

w − середня швидкість перебігу газу через канали, що створюють шар.

Ступінь очищення ВГ від шкідливих речовин при x=l складе η=1-c₁/c₀, де l − довжина шару каталізатора.

Повний опір нейтралізатора включає втрати тиску на вході, активній зоні і виході:

.

Втрати на вході Δр_вх і виході Δр_вих визначають за формулами гідравліки, а втрати тиску в активному шарі − за рівняннями:

,

де .

Як швидкість при визначенні числа Рейнольдса Re_к необхідно використовувати швидкість газу в порах, рівну w=Q_г/(F_к∙ε), де Q_г − витрати відхідних газів; F_к − площа поперечного перерізу каталізатора з пористістю ε. Число Рейнольдса визначають за співвідношенням Re_к=wd_п/ν, де d_п=2εd_к/[(1-ε)³].

Газодинаміка шару каталізатора є лише одним з чинників, що визначають аеродинамічні характеристики нейтралізатора в цілому. Зокрема, рівномірність розподілу газу по поверхні шару залежить не стільки від абсолютної втрати тиску в ньому, скільки від відношення кінетичної енергії потоку газу у вхідній порожнині над реактором до перепаду тиску на шарі. Це відноситься і до вихідної порожнини нейтралізатора.

Прийнятний для практичних цілей рівномірний розподіл потоку газу досягається, якщо виконується умова Δр_вх/Δp_акт<0,15...0,2. Враховуючи цю умову, а також вимоги компактності ступінь розширення вхідного дифузора вибирають в межах 2...2,5.

Експериментальні дослідження дозволяють сформулювати достатньо прості правила, яких треба дотримуватися при проектуванні каталітичних нейтралізаторів: довжина гранульованого шару каталізатора для карбюраторного ДВЗ повинна складати 10...15 діаметрів гранули, а для дизельного в 2...2,5 рази більше; приведена до нормальних умов швидкість газу по повному перерізу реактора (швидкість фільтрації) не повинна перевищувати 1 м/с.

Каталітичні нейтралізатори конструктивно складаються з вхідного і вихідного пристроїв, корпусу і вкладеного в нього реактора. Розроблені каталітичні нейтралізатори (рис. 11.4) для відпрацьованих газів ДВЗ транспортних засобів з бензиновими і дизельними двигунами. Каталітичні нейтралізатори знижують у ВГ вміст СО на 70...90%, С_nН_m − на 50...85%.

Рис. 11.4. Каталітичний нейтралізатор для бензинового ДВЗ

Схема установки каталітичного нейтралізатора в системі ДВЗ показана на рис. 11.5. Відпрацьовані гази від двигуна 1 надходять по випускній трубі 2 до каталітичного нейтралізатора 3, після чого викидаються в атмосферу. Для підтримки необхідної температури газів в нейтралізаторі використовується електронний блок 4, регулюючий клапаном 5 подачу повітря через ресивер 6 і зворотний клапан 7 з атмосфери в нейтралізатор.

Рис. 11.5. Схема установки каталітичного нейтралізатора

Таким чином, каталітичне допалювання вихлопних газів двигунів внутрішнього згорання є ефективним (до 90%) засобом для очистки повітря від вуглеводнів, карбоксиду та альдегідів.